JPH0825086B2 - ボールエンドミルを用いた加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、本体の先端部にこの本体の回転軸心回りの
回転軌跡がこの回転軸心と垂直なほぼ平面状となる直線
状切れ刃を具えたボールエンドミルを用い、被削材の表
面を高精度にて加工して仕上げ作業に要する時間を大幅
に短縮し得る方法に関する。

〈従来の技術〉 数値制御装置や倣い装置を介し、プレス金型等の三次
元曲面を加工する工具の一つとして、ボールエンドミル
が知られている。

このボールエンドミルは、円柱状をなす本体の先端側
にこの本体の回転軸心回りの回転軌跡がほぼ球面状とな
る円弧状切れ刃を一枚以上形成したものであり、その加
工状態の一例を表す第７図に示すように、少なくとも直
交三軸の制御軸を有するマシニングセンタや金型加工機
等の工作機械の主軸11に取り付けられる。

この第７図に示したボールエンドミル12は、二枚の円
弧状切れ刃13,14を有する二枚刃のものを示しており、
主軸11と共に駆動回転するようになっている。そして、
このボールエンドミル12に被削材15に対して例えば図
中、Ｚ方向の切り込みとＹ方向の送りとを繰り返し与
え、被削材15の表面（以下、これを被削面と呼称する）
を加工するようになっている。つまり、ボールエンドミ
ル12を駆動回転してＹ方向に送ることにより、円弧状切
れ刃13,14が被削面を溝状に削り取る。次いで、このボ
ールエンドミル12をＸ方向に一定量ｐだけ移動させた
後、再度Ｙ方向に送って被削面を溝状に削り取る。この
際、ボールエンドミル12のＹ方向の送りと同時にＺ方向
の切り込みを変化させることにより、被削面を三次元曲
面に加工することができる。

なお、Ｙ方向の送りの繰り返し間隔となるボールエン
ドミル12のＸ方向への一回当たりの移動量ｐは、ピック
量と呼称される。

ところで、上述の如き円弧状切れ刃13,14を具えたボ
ールエンドミル12を用いて切削加工を行う場合、Ｙ方向
の送りの繰り返し操作に伴って被削面にカスプと呼称さ
れる高さｈの条痕16と、Ｙ方向の送りに伴ってボールエ
ンドミル12が一回転する毎に生ずる錐状の削り残し17と
が必然的に発生するため、後工程でこの条痕16や削り残
し17をハンドグラインダ等で除去する作業が必要とな
る。

そこで、被削面に形成される条痕16をより少なくする
目的で、回転軸心回りの回転軌跡がほぼ球面状となる一
枚以上の円弧状切れ刃を有するボールエンドミルにおい
て、この円弧状切れ刃よりも先端側に当該円弧状切れ刃
に連なって形成され且つ本体の回転軸心回りの回転軌跡
が回転軸心と垂直なほぼ平面状となる直線状切れ刃を形
成したものが提案されている。

〈発明が解決しようとする課題〉 円弧状切れ刃よりも先端側にこの円弧状切れ刃に連な
る直線状切れ刃を形成したボールエンドミルは、第７図
に示す条痕16を少なくする効果は有するものの、Ｙ方向
の送りに伴ってボールエンドミル12が一回転する毎に生
ずる錐状の削り残し17を低減させることができない。

この結果、上述した削り残し17が鋭利な突起となって
被削面に残留し、後工程のグラインダによる手仕上げ作
業に多大な時間を要している。

ここで、この削り残し17の発生機構について、直線状
切れ刃を持たない円弧状切れ刃のみで構成された二枚刃
のボールエンドミルを例に説明する。

なお、刃数が三枚以上でも削り残しが生ずるメカニズ
ムは同一であるが、刃数が多いほど削り残しは少なくな
る。

毎分6000回転する本体の回転軸心が、毎分6000mmの送
り速度で点O₁から点O₈へ順次送り移動した場合における
被削面に投影した円弧状切れ刃13,14の移動軌跡を第８
図に示す。但し、太い一点鎖線で示す一方の円弧状切れ
刃13は実際に被削材を切り込む部分のみを表示してお
り、同様に太い二点鎖線で示す他方の円弧状切れ刃14
も、実際に被削材を切り込む部分のみを表示している
が、当然これ以上の長さをそれぞれ持っている。

ここで、ボールエンドミルの回転軸心の移動軌跡を基
準としてダウンカットとなる図中、左側の被削面上の任
意の点Ｑに着目すると、この点Ｑはまずボールエンドミ
ルの回転軸心が点O₁の位置で一方の円弧状切れ刃13によ
り削られるが、ボールエンドミルの回転軸心の移動軌跡
を基準として図中、左側に大きな削り残しが生ずるの
は、ボールエンドミルが反時計方向に回転する場合であ
り、時計方向に逆回転する場合には、削り残しがボール
エンドミルの回転軸心の移動軌跡を基準として図中、右
側に生ずる。そして、回転軸心が点O₂の位置に移動した
時点で他方の円弧状切れ刃14により削られる。線分O₁Ｑ
と線分O₂Ｑとは、円弧状切れ刃13,14の一部を形成して
いるので、これら線分O₁Q,O₂Ｑは点O₁，O₂を最下点（被
削材に対して最大切り込み深さとなる点）とする円弧と
なり、点Ｑは点O₁，O₂よりも高い位置、即ち凸形の錐状
をなす削り残しとなる。

例えば、上述した条件で直径が10mmのボールエンドミ
ルを用い、ピック量を0.6mmとした場合の加工の進行に
伴う被削面の変化を表した第９図に示すように、ボール
エンドミル12を基準としてその送り方向に向かって左側
に25μｍもの高さの錐状の削り残し17が生ずる。

但し、この削り残し17は、ボールエンドミル12の回転
軸心に対してほぼ垂直な被削面を有する被削材15にのみ
に生成するものであるが、一般的には第７図に示した条
痕16の高さｈよりも高く、被削面の表面粗さを大幅に低
下させるものであることから、加工面精度上の大きな問
題となる。

なお、円弧状切れ刃13,14の回転軌跡が球面状となる
ため、ボールエンドミル12を基準としてアップカットと
なるその送り方向に向かって右側でも若干の削り残しを
生ずるが、先に述べた左側に比べて軽微であり、特に問
題とするほどではない。

〈発明の目的〉 本発明は、被削材に対する送り移動に伴って、ボール
エンドミルの一回転毎に生ずる錐状の削り残しを低減
し、これによって被削面の表面粗さの精度を向上させ、
この被削面の仕上げ作業に要する時間を大幅に短縮し得
るボールエンドミルを用いた加工方法を提供することを
目的とする。

〈課題を解決するための手段〉 本発明によるボールエンドミルを用いた加工方法は、
本体の回転軸心回りの回転軌跡がほぼ球面状となる円弧
状切れ刃と、この円弧状切れ刃よりも先端側に当該円弧
状切れ刃に連なって形成され且つ前記本体の回転軸心回
りの回転軌跡が前記回転軸心と垂直なほぼ平面状となる
直線状切れ刃とを具えたボールエンドミルを用い、被削
材に対してこのボールエンドミルに相対的な送りを繰り
返し与え、前記被削材の表面を加工するに際し、前記被
削材に対する前記ボールエンドミルの送り移動に伴って
前記ボールエンドミルの一回転毎に生ずる錐状の削り残
しが低減されるように、前記ボールエンドミルの送り速
度と前記送りの繰り返し間隔と前記ボールエンドミルの
回転数とを設定したことを特徴とするものである。

〈作用〉 被削材に対する送りに伴ってボールエンドミルが一回
転する毎に生ずる錐状の削り残しは、先に説明したよう
に切れ刃が円弧状であることに起因して必然的に生ずる
ものである。

従って、この削り残しをなくすためには、少なくとも
切れ刃の先端側を直線状にしなければならない。つま
り、ボールエンドミル自体の形状としては、本体の回転
軸心回りの回転軌跡が回転軸心と垂直なほぼ平面状とな
る直線状切れ刃を円弧状切れ刃よりも先端側に当該円弧
状切れ刃に連なって形成する必要があり、すでに提案さ
れたボールエンドミルと同様の形状とする必要がある。

ここで、最終的に加工終了面として残るのは、第７図
からも明らかなようにピック量ｐに相当する幅領域のみ
であるから、この幅領域のみ削り残しがなくなるよう
に、直線状切れ刃の長さを決めれば良い。

但し、この直線状切れ刃が長いほど通常のボールエン
ドミルと形状が異なって来るため、NC加工プログラミン
グが難しくなる等、実用上の問題が顕在化して来る。こ
のため、直線状切れ刃の長さは必要最小限に抑えた方が
好ましい。

以上の知見に基づき、それぞれ直線状切れ刃を持つ二
枚刃ボールエンドミルの本体の回転軸心が毎分6000mmの
速度で点O₁からO₈へ順次送り移動した場合における被削
面に投影した直線状切れ刃の移動軌跡を第１図に示す。
但し、太い一点鎖線で示す一方の直線状切れ刃18には、
図示しない円弧状切れ刃がこれに連続して形成されてお
り、同様に太い二点鎖線で示す他方の直線状切れ刃19に
も、図示しない円弧状切れ刃がこれに連続して形成され
ている。

かかる状態において、最終的に加工面として残るピッ
ク量ｐの半分に相当する領域の削り残しをなくすには、
この領域がすべて直線状切れ刃18,19によって切削され
れば良い。例えば、直線状切れ刃18,19の長さがこの第
１図の通りであると仮定すると、図中、斜線で示した領
域g₁，g₂は直線状切れ刃18,19によって切削されず、直
線状切れ刃18,19に連続する図示しない円弧状切れ刃に
て切削されるため、錐状の削り残しが発生してしまう。
従って、最終的に加工面として残る部分を完全に削り取
る直線状切れ刃18,19の最小の長さは、第１図において
領域g₁，g₂が共になくなる条件、即ちM₁＝M₂及びN₁＝N₂
となる直線状切れ刃の長さγの内の大きい方の値であ
る。

なお、M₁，M₂は回転軸心の移動軌跡と直線状切れ刃1
8,19の最外周位置の軌跡との交点、N₁，N₂は回転軸心の
移動軌跡と平行にこの回転軸心の移動軌跡からp/2だけ
離れた線分ｌと直線状切れ刃18,19の最外周位置の軌跡
との交点である。

ここで、ボールエンドミルの刃数をＺ、その送り速度
を毎分Ｆ（mm）、回転数を毎分Ｎ（rpm）、M₁＝M₂とな
る点O₃から点O₉までボールエンドミルが移動した時間を
t_Mとした時、M₁＝M₂となる直線状切れ刃の長さγ_Ｍは、
下式（１），（２）の条件の下で を満足すれば良い。

従って、上述した第１図に示す被削面の領域g₁におけ
る錐状の削り残しをなくすためには、前記（１），
（２）の条件の下で次式（３）を満たす必要がある。

一方、N₁＝N₂となる直線状切れ刃の長さγ_Ｎは、 で与えられるから、上述した第１図に示す被削面の領域
g₂における錐状の削り残しをなくすためには、次式
（４）の条件を満たす必要がある。

そして、前記（３）式及び（４）式から算出される直
線状切れ刃の長さγ_Ｍ，γ_Ｎの内の大きな値の方が目的
とする直線状切れ刃の最小の長さとなる。換言すれば、
ボールエンドミルに形成された直線状切れ刃18,19の長
さに基づいて、錐状の削り残しのないピック量ｐや送り
速度Ｆ或いは回転数Ｎを適切に設定することができる。

ところで、公知の前記条痕のみをなくすことを狙った
従来の発明では、直線状切れ刃の長さが条痕の間隔の半
分、即ちp/2でこの条痕は完全になくなるから、直線状
切れ刃の長さをp/2以上にしても無意味である。これに
対し、本願で対象とする錐状の削り残しをなくすために
は、直線状切れ刃の長さを少なくともp/2にする必要が
あるが、直線状切れ刃の長さをp/2にした場合には、ボ
ールエンドミルの送り速度に対してその回転数を非常に
高く設定する必要がある。

〈実施例〉 本発明を実施し得るボールエンドミルの外観を表す第
２図に示すように、本体20の回転軸心21を横切るように
並ぶ二枚の直線状切れ刃22,23とこれら直線状切れ刃22,
23に連続する二枚の円弧状切れ刃24,25とを有する直径
が20mmのボールエンドミル26を用い、毎分6000回転でピ
ック量が0.6mmの条件での削り残しをなくするために必
要な直線状切れ刃22,23の各長さγと送り速度Ｆとの関
係を第３図に示す。この第３図から明らかなように、送
り速度Ｆが高くなるほど直線状切れ刃22,23の長さγを
長くする必要があり、例えば毎分12000mmの送り速度Ｆ
の場合には、直線状切れ刃22,23の長さγをそれぞれ1.0
mm（ピック量の1.67倍）以上にしなければならない。

このボールエンドミルで切削した場合における被削面
の表面粗さの実測値を表す第３図に示すように、この被
削面の表面粗さはR_max表示で1.0μｍ前後とほぼ平坦と
なった。

切削条件を全く同一にして第７図に示す従来のボール
エンドミルを用いて被削面の表面粗さを比較したとこ
ろ、従来のボールエンドミルでは表面粗さがR_max表示で
30μｍより悪いことも確認した。

なお、本発明では幾何学的に被削面を完全な平坦面と
することができるが、実際に切削した結果は第３図から
も明らかなように、被削面は完全な平坦面とはなってい
ない。この理由は、直線状切れ刃の刃先が完全に平坦且
つシャープでないこと、及び刃先に被削材の溶着が若干
生ずること等により、被削面に荒れが発生してしまうた
めである。

次に、上述した実施例と同一のボールエンドミルを用
い、送り速度が毎分6000mmでピック量が0.6mmの条件で
の削り残しをなくするために必要な直線状切れ刃の長さ
γとその回転数Ｎとの関係を第４図に示す。ボールエン
ドミルの回転数が高くなるほど、直線状切れ刃の長さγ
は短くなることが判る。

なお、この第５図から明らかなように、ボールエンド
ミルの回転数が高くなるほど、直線状切れ刃の長さγが
ピック量ｐの半分、0.3mmに近付くことが判る。

第６図はこのボールエンドミルで切削した場合におけ
る被削面の表面粗さの実測値である。この場合の被削面
の表面粗さはR_max表示で1.0μｍ前後とほぼ平坦となる
が、従来のボールエンドミルでは毎分24000回転の場合
で最良の表面粗さが得られるものの、その値はR_max表示
で12μｍより悪いことも判明した。

〈発明の効果〉 本発明のボールエンドミルを用いた加工方法による
と、ボールエンドミルの送り速度及び回転数と、このボ
ールエンドミルに形成された直線状切れ刃の長さ及びそ
の数と、当該ボールエンドミルの送りの繰り返し間隔と
を最適に設定したので、被削材の表面粗さを悪化させる
最大の原因である錐状の削り残しがなくなり、この被削
材の表面粗さを大幅に改善することができる。この結
果、被削材の表面がほぼ平坦に削られ、加工後の仕上げ
工程に要する時間を大幅に短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はボールエンドミルに形成された直線状切れ刃の
移動軌跡を表す本発明の加工原理図、第２図は本発明を
実施し得るボールエンドミルの一実施例の外観を表す正
面図、第３図は本発明によるボールエンドミルの送り速
度と直線状切れ刃の長さとの関係を表すグラフ、第４図
はその表面粗さの分布を表すグラフ、第５図は本発明に
よるボールエンドミルの回転数とその直線状切れ刃の長
さとの関係を表すグラフ、第６図はその表面粗さの分布
を表すグラフ、第７図は従来の切削状況を表す加工概念
図、第８図はその加工原理図、第９図は削り残しの原理
を説明する加工概念図である。 又、図中の符号で12,26はボールエンドミル、13,24,25
は円弧状切れ刃、15は被削材、16は条痕、17は錐状の削
り残し、18,19,22,23は直線状切れ刃、20は本体、21は
回転軸心、γは一つの直線状切れ刃の長さ、ｐはピック
量である。

フロントページの続き (72)発明者 井内 文雄 京都府京都市右京区太秦巽町１番地 三菱 重工業株式会社京都精機製作所内 (72)発明者 深作 伸一 京都府京都市右京区太秦巽町１番地 三菱 重工業株式会社京都精機製作所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】本体の回転軸心回りの回転軌跡がほぼ球面
   条となる円弧状切れ刃と、この円弧状切れ刃よりも先端
   側に当該円弧状切れ刃に連なって形成され且つ前記本体
   の回転軸心回りの回転軌跡が前記回転軸心と垂直なほぼ
   平面状となる直線状切れ刃とを具えたボールエンドミル
   を用い、被削材に対してこのボールエンドミルに相対的
   な送りを繰り返し与え、前記被削材の表面を加工するに
   際し、前記被削材に対する前記ボールエンドミルの送り
   移動に伴って前記ボールエンドミルの一回転毎に生ずる
   錐状の削り残しが低減されるように、前記ボールエンド
   ミルの送り速度と前記送りの繰り返し間隔と前記ボール
   エンドミルの回転数とを設定したことを特徴とするボー
   ルエンドミルを用いた加工方法。